CN108702814A - 气候响应传输线路 - Google Patents

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Abstract

包含磁热材料以包含在电力传输线路导体中的磁热结构，使得由交流电传输产生的磁场引起磁热材料呈现磁热效应。还提供了一种电力传输线路导体，该电力传输线路导体包括配置为传输高压交流电力的至少一个电导体的束，与电导体捆绑以向电导体提供物理支撑的至少一个加强结构，以及至少一个包含磁热材料的磁热结构。通过经由至少一个导体传输高压交流电力产生的变化的磁场引起磁热材料组成呈现磁热效应以调节电力传输线路导体的工作温度。还提供了一种利用磁热效应来调节传输线路温度的传输线路导体设计方法。

Description

气候响应传输线路
技术领域
本发明涉及的技术领域为电传输线路的维护技术，特别是在极端温度环境中的传输线路的维护。
背景技术
电网是国家安全和经济命脉。这是一个关键的基础设施。在许多高纬度的国家或地区，高架传输线路上的冰层覆盖是主要危险，可能会破坏电网系统，并在寒冷的冬季造成重大经济损失(一些实施例如图1所示)。例如，在2008年冬季，在中国东南部的一次传输线路结冰灾害期间，它造成了200亿美元的直接损失，超过2500万个家庭停电一周。在这场灾难中，大约40-60毫米厚的冰覆盖传输线路，影响17个省和大约1亿人。1998年，在北美和加拿大边界的高压电力线塔架出现故障，有200多万人停电数周。这场灾难的后果包括25人死亡和数十亿美元损失。
为了避免这种灾难，已经开发了几种不同的传输线路除冰技术。机械或机器人除冰、直流除冰、交流短路除冰和过载除冰等已被用于试图解决这一长期和关键问题。使用传统的磁性材料来产生热量是另一种已知的用于电力传输线路除冰的技术。然而，无论环境温度如何，这项技术都能够24/7全天候产生热量，从而在夏季造成显著的能量损失和传输线路下垂。一个问题是，所有这些技术耗尽了巨大的能源和人力资源。在偏远地区，除冰变得非常困难。
另一个问题是，对于低纬度的国家或地区，高架传输线路的运行温度在夏季高峰期通常高于120℃，导致电力线严重下垂。极端热量可能影响高架传输线路并导致“下垂”的程度如图2所示。例如，在正常的约75℃的春季/夏季工作温度下，预期通常会出现一些下垂210。对运行温度的贡献是太阳辐射吸收和由传输线路中的电阻产生的废热(热量是传输线路能量损失的一种形式)。然而，在环境温度很高的非常晴朗的日子，传输线路的工作温度将会升高，例如在极端高温条件下达到120℃以上，甚至是150℃～210℃。如草地或丛林火灾等事件可能会导致工作温度进一步升高。由于传输线路的热膨胀，预计在热条件下会出现一些额外的下垂220，并且通常安装传输线路以允许在超过最小间隙阈值230之前热引发的额外的下垂。最小间隙阈值通常是考虑到安全而设置，例如保持传输线路与树木、地形、基础设施等之间的安全距离。
电网的安全受到恶劣的天气变化，尤其是极端温度的严重威胁。有必要开发电力传输线路技术，可以有效地缓解寒冷和炎热地区的电网系统在极端温度条件下出现的问题。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种电力传输线路导体，包括：
至少一种电导体，其配置用于传输高压交流电力；
至少一种与电导体捆绑在一起的加强结构，以为电导体提供物理支撑；和
至少一种包含磁热材料的磁热结构，所述至少一种磁热结构与所述电导体和加强结构一起被包括在一个束中，
所述磁热结构布置在所述束内，位于由通过所述至少一种导体传输高压交流电力产生的变化的磁场内，从而使磁热材料组成表现出磁热效应以调节所述电力传输线路导体的工作温度。
在一个实施方式中，磁热效应运行以调节电力传输线路导体的工作温度，以保持工作温度高于发生结冰的范围。
在一个实施方式中，磁热效应运行以调节电力传输线路导体的工作温度，以保持工作温度低于高温阈值。
在一个实施方式中，磁热效应运行以调节电力传输线路导体的工作温度，以将工作温度维持在目标工作范围内。
每个磁热结构的磁热材料组成可以被调整为在目标温度范围内显示磁热效应。
在电力传输线路导体的一些实施方式中，每个磁热结构配置为包括磁热材料的细长导线，所述线与电导体和加强结构并入束中。例如，每个磁热结构可以使用用于形成包括磁热材料的细长导线的装管方法来形成。
在电力传输线路导体的一些实施方式中，一个或多个磁热结构包括磁热材料，所述磁热材料配置为展现磁热效应以在低于结冰阈值温度的温度下引起电力传输线路导体的升温。磁热材料的实施例具有包括以下任何一种或多种材料的组合物：La0.7(Ca1-xAgx)0.3MnO3，La0.7Ca0.3MnO3，LaMnO3，MnCoGe，MnAs，Mn1–xFexAs MnCoGe，LaFe11.6Si1.4，La(FeSi)13，La0.8Nd0.2Fe11.5Si1.5，Ni43Mn46Sn11，(Mn1-xNix)3Sn2，和RMnO3。通过使用金(Ag)，钴(Co)，铜(Cu)，硼(B)，氢(H)或钆(Gd)中的任何一种或多种进行掺杂，可以调谐磁热材料组成以表现出低于结冰阈值温度的磁热效应。
结冰阈值温度可以是从5℃-0℃范围内选择的温度。电力传输线路导体的实施方式可以包括磁热材料，所述磁热材料配置为显示磁热效应以引起电力传输线路导体的升温，以在5℃-50℃范围内的环境温度中将工作温度调节到5℃-0℃的范围内。
在电力传输线路导体的一些实施方式中，一个或多个磁热结构包括磁热材料，所述磁热材料配置为呈现磁热效应以在高于高热阈值温度的温度下引起电力传输线路导体的冷却。例如，磁热材料可以包括以下任何一种或多种：Zn掺杂的Fe3O4；Ni0.50Mn0.50– xSnx.Ni0.50Mn0.50–xInx和Ni0.50Mn0.50–xSbx合金；和LaCrO3。其他材料也可能适用。通过使用Ag，Co，Cu，B，H或Gd中的任何一种或多种进行掺杂，可调谐磁热材料组成以在高热阈值温度以上显示磁热效应。
高热阈值温度可以是从40℃-100℃范围内选择的温度。电力传输线路导体的实施方式可以包括磁热材料，所述磁热材料配置为呈现磁热效应以引起电力传输线路导体的冷却，从而在30℃-60℃范围内的环境温度下，将工作温度调节到40℃-100℃的范围内。
本发明的另一方面提供一种电力传输线路导体设计的方法，包括以下步骤：
确定电力传输线路导体的预期工作温度范围，并且选择低温阈值和高温阈值中的至少一个；
选择在所选低温阈值或高温阈值附近呈现磁热效应的一种或多种磁热材料；和
确定导体束内的至少一个电导体，至少一个加强结构和一个或多个磁热结构的布置，选择磁热结构的位置以确保磁热结构定位与由通过导线束中的导体输送的交流(AC)电产生的变化磁场一致。
选择一种或多种磁热材料的步骤可以包括调谐温度以显示磁热效应以与所选择的低温阈值或高温阈值一致的步骤。
附图说明
现在将仅通过参考附图的以实施例的方式来描述包含本发明所有方面的实施方式，其中：
图1a和1b示出了结冰对传输线路影响的一些实施例；
图2示出了极端温度下垂的影响；
图3示出了磁热效应的基本加热/冷却循环原理；
图4示出了温度自控制传输线路导体在交流场下的磁热循环加热/冷却的原理；
图5示出了La0.7Ca 0.3MnO3的Tc调谐和磁热效应值(a)具有Ca、Sr和Ag掺杂的样品的TC，例如La0.7Ca0.3MnO3(SM1)，La0.7Ca0.27Sr0.03MnO3(SM2)，La0.7Ca0.25Sr0.05MnO3(SM3),La0.7Ca0.23Sr0.07MnO3(SM4)，La0.7Ca0.21Sr0.06Ag0.03MnO3(SM5)，La0.7Ca0.2Sr0.1MnO3(SM6)；
(b)对于不同的磁场间隔，样品SM2的磁熵变(-ΔSm)作为温度的函数；
(c)场冷却时选定样品x＝0至0.5的(Mn1-xNix)3Sn2材料的磁化的温度依赖性，其显示Tc调谐；和
(d)在ΔH改变至5T的磁场中，对于(Mn1-xNix)3Sn2材料x＝0和1.0样品，-ΔSm的温度依赖性；
图6示出了根据本发明实施方式的制造电力导体的过程；
图7是铁磁固体的S-T图，示出了磁场H0和H1(H1>H0)中的总熵；
图8示出了La0.7Ca0.264Sr0.056MnO3(SM7)，La0.7Ca0.264Sr0.056Ag0.03MnO3(SM8)，La0.7Ca0.254Sr0.046MnO3(SM9)，La0.7Ca0.254Sr0.046Ag0.03MnO3(SM10)样品在100Oe下的磁化的温度依赖性。
图9示出对于La0.7Ca0.3MnO3样品(a)La0.7Ca0.27Sr0.03MnO3(SM2)，(b)La0.7Ca0.23Sr0.07MnO3(SM4)和La0.7(Ca1-xAgx)0.3MnO3并且(c)x＝0.7和(d)x＝1的样品在几个温度下作为施加的磁场的函数的磁化。
图10示出了La0.7Ca0.3MnO3样品对零和1.5T场的热容量的温度依赖性；
图11示出了在施加的(a)H＝0.05T和0.1T(b)H＝1T和2T的磁场中La0.7Ca0.23Sr0.07MnO3(SM4)的磁熵变的温度依赖性；以及La0.7(Ca1-xAgx)0.3MnO3(c)x＝0.7和(d)x＝1作为不同磁场间隔的温度的函数的磁熵变；
图12示出了从0到1，2和5T的场变化的样品的绝热温度变化的温度依赖性；
图13示出了具有两种不同粒度的La0.7Ca0.254Sr0.046MnO3(SM9)样品在100Oe的施加磁场中的磁化的温度依赖性的比较；
图14a示出具有>50μm粒度的La0.7Ca0.254Sr0.046MnO3(SM9)样品的形态；和
图14b示出了粒径为258±6nm的La0.7Ca0.254Sr0.046MnO3(SM9)样品的形态。
具体实施方式
磁热材料是被发现在变化的磁场存在下呈现出磁热力学现象的材料类型，这种现象被称为磁热效应(MCE)。
磁热效应(MCE)是一种磁热力学现象，其中可以通过施加变化的磁场来控制材料(具有磁热性质)的温度。例如，在磁热材料的实施方式中，磁热材料的温度随着磁畴响应于磁场的施加而从无序状态到有序状态(磁化)的变化所产生的热量增加。而当磁场被去除时，由于磁畴从有序状态变为无序状态(退磁)，温度降低并且材料吸收热量。
本发明是应用磁热效应来调节传输线路的温度。通过将磁热材料结合到电力传输线路导体束中，由高压交流电力传输产生的变化的磁场可引起磁热效应来调节传输线路的工作温度，例如变化的磁场对导致磁热效应产生热量以减少结冰的磁热材料的影响，相反地，在极端环境热量的情况下，磁热材料可以具有磁热效应以冷却传输线路。
用于调节传输线路温度的方法包括在传输线路中引入磁热材料，其响应于由高功率交流电力传输产生的变化磁场而呈现磁热效应。可以选择磁热材料以在倾向于发生高风险条件的环境温度范围内展现期望的温度调节效果。例如，可选择磁热材料运行以在通常的结冰温度下加热传输线路，或者可选择磁热材料以在极端热条件下具有冷却效应。一种以上组成的磁热材料可以用于使冷却和加热效应能够通过一根传输线路呈现。
本发明的一个实施方式提供了一种电力传输线路导体束，所述导体束包括被配置为传输高压交流电的至少一个电导体，与该电导体捆绑以向电导体提供物理支撑的至少一个加强结构，以及包括在具有电导体和加强结构的束中的至少一个磁热结构。磁热结构被配置为响应于由通过至少一个导体传输高压交流电而产生的变化的磁场来呈现磁热效应以调节电力传输线路导体的工作温度。
磁热效应(MCE)可以操作以调节电力传输线路导体的工作温度，以保持工作温度高于发生结冰的范围，低于高温阈值或在目标工作范围内。
可以调谐磁热材料的磁有序温度以在基于掺杂浓度的工作温度范围内显示磁有序转变。可以通过添加磁相变潜热来选择进一步的一阶磁相变磁热材料以提高加热性能以最大化自加热/冷却效果。
本发明的有利实施方式通过增强磁热效应以及材料的加热/冷却循环的热力学效率来提供用于自动气候控制的电力传输线路的磁热技术的应用，由此稳定工作温度以维持设计中的操作范围，例如从2℃到80℃，以防止冬季冰层覆盖形成和夏季下垂。工作温度范围可根据预期的气候条件进行设计。例如，在某些地区，结冰可能不是问题，但过热也许是可能的，因此只能在高温下(例如40℃至100℃之间)冷却磁热效应，这种冷却功能可减少下垂并可能降低由高温操作引起的电力传输中的低效。通常，传输线路的工作温度将高于环境空气温度，例如由于阳光对传输线路的影响以及由线路电阻产生的热量。因此，即使环境温度可能在30℃-40℃左右的高温范围内，由于额外的发热因素(如日照)，传输线路可能会出现过热情况，例如高于80℃。在如丛林大火等事件中，环境温度可能超过150℃。因此，考虑到环境温度和工作温度在很宽范围内的调节冷却温度是有利的。
或者除冰可能是特别有意义的，加热磁热效应对于环境温度在5℃到-50℃范围内的传输线路的工作温度保持在0℃到5℃之间是理想的。
为了实现磁热效应以将操作温度维持在目标范围内，特别关注磁热材料的一阶相变的热力学势能和动力学过程。这包括晶体/磁相变的优化，磁化过程中的磁热行为，平衡和非平衡过程，磁有序，可逆和不可逆参数，晶格应变和各向异性效应。这可以增强磁热材料中一阶相变的热力学循环效率，尤其是响应于由高压交流电力传输产生的交变电磁场(AC场)条件。
在一个实施方式中，电力线路导体使用具有电导体材料的复合磁热材料构造。在一个实施方式中，这是通过使用装管技术(下文进一步详细描述)来实现的，该技术用于制造包含磁热材料的导线，所述磁热材料可以与电导体捆绑在一起并且以对所得电力线路上的机械性能具有最小影响的方式来强化导线。在这种应用中，使用装管技术避免了磁性或磁热材料的硬成形问题。此外，本发明的实施方式允许具有变化的磁热材料布置的各种导体设计来定位这些导体以最大限度地利用导体的自场，从而使磁热效应最大化。
磁热效应的基本原理
使用加热和冷却过程的温度控制在工业应用中很常见。传统的蒸汽循环热传递是工业应用中最流行的技术。在该技术中，可以通过将大体积制冷剂气体压缩成非常小的体积来实现加热。压缩效应将系统从具有较大熵的无序状态转移到具有较小熵的有序状态，从而释放热量。随着允许压缩气体膨胀，系统吸收热量进行冷却。与蒸汽循环热传递类似，磁热效应热传递基于响应于无序和有序状态之间系统变化的熵变化。然而，与蒸气循环机制不同，磁热效应利用施加的磁场将磁畴从无序状态调整到有序状态以进行加热，并且从有序状态到无序状态进行冷却。
图3说明了磁热效应的基本加热/冷却循环原理，使用磁热冰箱的实施例。最初310系统在环境温度下处于无序状态，而不施加电磁场。响应于施加电磁场320，系统从无序状态转变为有序状态330，降低系统中的熵，使得在等温过程中热量从磁热材料340释放到环境，从而将热量释放到周围区域350。当电磁场关闭360时，系统在绝热过程中返回到无序状态370以增加系统中的熵，由此从系统内的热负载380吸热，在图3的实施例中冰箱充当热负载。
在磁热效应循环中，随着施加的电磁场的增加，磁熵减少，在等温过程中热量从磁热材料释放到环境中。随着施加的磁场的减小，磁熵增加，并且在绝热过程中从系统吸收热量到磁热材料。
等温过程是在恒定温度下发生的过程，并且由此保持恒定温度的热量必须从外部环境释放或获得。绝热过程就是在系统内部发生的一种绝热过程，而系统不会失去或获得能量。
虽然磁热技术被认为是一种新型节能和环保技术，以取代当前广泛使用的蒸汽循环热传递技术，但目前其应用限于冷却应用，如天然气和氢气液化器，大型建筑空调，制冷/冷冻食品加工厂，超市冷冻机和高温超导体电器冷冻机。
考虑到制冷应用，由于磁性材料的磁熵密度比制冷剂气体的磁熵密度大得多，所以磁热系统可以是紧凑的。磁热磁场可以由电磁铁提供。因此，不需要具有可移动部件、大转速，机械振动、噪音、不稳定性和工作寿命短的压缩机。应该理解的是，冰箱的磁热换热器部件可以不具有移动部件。磁热循环的效率可以达到卡诺循环(Carnot cycle)的30-60％，而蒸汽压缩制冷的效率仅为卡诺循环的5-10％。本发明的实施方式利用磁热系统的这些特性将磁热系统结合到电传输线路中以利用磁热效应来调节电传输线路的工作温度，例如防止结冰和/或过热。
在制冷剂应用中，对准和错位磁畴的交变磁场(AC磁场)通常通过从外部向交流电供电而由电磁体产生。然而，在本发明的应用中，在承载交流电的电力传输线路中存在交变电磁场。因此，包含在传输线路中的磁热系统利用由AC电力传输产生的磁场，而不需要额外的电源或外部施加的磁场。因此，与其他现有技术的除冰技术相比，通过使用磁热效应来控制电力传输线路中的温度而造成的能量损失非常有限。
已经显示一些材料表现出相对较大的磁热效应，这些效应也可以被称为“巨大”或“非常大”磁热效应，并且术语“大”，“巨大”和“非常大”用于表示在某些情况下较大的磁热效应的不同程度。术语“巨大”在本说明书中使用，然而，大的或非常大的可以互换使用。该效应与温度有关，并且是与材料的晶格结构的结构熵相关的材料的固有性质，特别是一阶相变材料的磁有序温度。
本发明的实施方式使用磁热效应材料(在一些实施方式中称为巨磁热效应材料)，其具有接近用于安装传输线路的目标环境内的结冰温度的磁有序温度。例如，在某些环境中，从约2℃以下的温度可能会发生结冰，因此需要设计传输线路，以控制2℃或更高的最低工作温度，以防止在电传输线路表面形成冰。在具有一级相变材料的磁热效应的材料中，在/低于结冰温度的磁热效应循环中发生更有效的加热处理。这样的过程利用由交变电磁场(AC磁场)引起的磁滞和磁弛豫损失的加热。
或者，为了在高温下冷却过热的传输线路，将选择较大磁热效应材料，例如具有接近过热温度80℃的转变温度(TN)的反铁磁性磁热材料。这些材料在高于TN的温度下开始吸收热量。因此，没有能量损失，并且在低于TN的温度下磁热效应不起作用。
加热和冷却的双重功能也可以在利用磁热材料或具有加热和冷却特性的复合材料的组合制成的相同传输线路中实现。例如，通过在导线束中包含的不同导线中使用两种不同类型的磁热材料，或者将两种不同类型的磁热材料结合在一个束中的相同的导线内。
磁热效应对加热和冷却的效率取决于材料的性能。具有大的磁熵值(ΔSm)的有利磁热材料正在开发用于本发明的传输线路中。磁热材料组成的进一步处理可以允许磁有序温度的调谐并增强开发的材料系统中的磁热效应。
磁热效应的评估
有三种测量方法可以评估材料的磁热性能。
(1)等温磁化法：通过测量不同温度(T)和不同磁场(B)下的磁化强度(M)并用麦克斯韦方程计算磁熵变(ΔSm)。
(2)等场热容量测量方法：通过测量不同温度和磁场(B)的热容量(CB)并用麦克斯韦方程计算磁熵变(ΔSh)。
(3)直接测量绝热温度变化(ΔTad)。
磁热材料的当前发展：
一阶相变过程中熵的变化是磁热效应的基本原理。磁热材料的最新进展表明，MnAs(在静态压力下)和Mn1-xFexAs(在环境压力下)的熵变大于理论值，表现出巨大的磁热效应。另外，通过比较LaFe11.6Si1.4，La0.8Nd0.2Fe11.5Si1.5和Ni43Mn46Sn11在一级相变附近的磁热效应，发现在材料LaFe11.6Si1.4和La0.8Nd0.2Fe11.5Si1.5中测得的ΔSm＝ΔSh，而对于材料Ni43Mn46Sn11测得的ΔSm>ΔSh。这表明ΔSh表示磁热材料中一阶相变的实际熵，而ΔSm仅适用于测量二阶相变或从顺磁转变为铁磁。本发明人对La0.7Ca0.3MnO3材料的研究证实了测量的ΔSm＝ΔSh，因为它涉及顺磁至铁磁一阶相变材料。
对于利用磁热效应的致冷应用，称为“逆磁热效应”，特别是对于传输线，使用表现出“逆磁热效应”的巨大反铁磁性磁热材料，其中加热和冷却热循环过程与磁热循环相反。这些类型的材料很少，目前已知的可能适用于冷却传输线路的材料包括：
(1)Ni0.50Mn0.50-xSnx，Ni0.50Mn0.50-xInx和Ni0.50Mn0.50-xSbx等合金。
(2)掺杂Zn的Fe3O4等
(3)LaCrO3等
开发温度自调节传输线路的挑战是磁热材料通常具有低磁热转换效率和低热导率以分散热量。为了开发自身温控电传输线路，对合适的磁热材料的要求包括表现出令人满意的TC(居里温度)，加热功率势能和大的磁热效应。可以通过分析影响因素并使用不同的一阶相变磁热材料计算磁热效率来识别合适的材料。
在智能电力传输线路的应用中，磁热材料在所施加的AC磁场下进行主动非平衡磁热力学循环，如图4所示。简单地说，在低温条件下选择磁热材料，由于巨大的磁热效应，响应于磁化强度ΔM1的增加而引起系统中的温度ΔT1的更大增加，而不是响应于磁化强度ΔM2的减小而引起温度ΔT2的降低。此外，在过热范围内，选择磁热材料，其表现出比磁热力学循环中的增加更大的温度降低的性能。
挑战在于选择和调谐材料以调整传输线路中的磁热材料的转变温度，以在结冰点440和过热点450之间的范围内运行而没有磁热效应460，结合在结冰范围445内和/或过热范围455内，实现大的磁热效应，例如以实现磁化强度ΔM 410的较大变化或与ΔT1-ΔT2430、435的值直接相关的ΔM1-ΔM2 420、425的较大差值，如图4所示。理想的是确定磁热材料的有效复合材料，以平衡加热功率和冷却功率，并优化传输线路导体的设计。例如，为了使高AC磁场下的磁热效应最大化，为了提高在磁场内用于通常的工作范围的电力传输线路例如从10A到10,000A或更多的作为材料性质的磁热效应的效率。
发明人已经研究了大范围的磁热材料以使得能够选择用于传输线路中的合适的磁热材料(取决于转变温度，MCE效率，制造成本)。Tc调谐和磁热效应的证据如图5所示。
图5中的图说明了对磁热效应的材料特性的操纵的实施例，特别是使用掺杂技术来调整材料特性。图5a示出了使用Ca、Sr和Ag掺杂LaMnO3对磁相变温度的影响的结果。这表明如何使用掺杂来调节磁相变温度。所呈现的测试结果表明，对于原子化学计量比为SM2和SM4的材料，在大约2℃具有磁转变，表明这些材料适用于电力传输线路中的防冰应用。Co和Gd掺杂的LaMnO3材料也已经实现高于零摄氏度的转变温度。图5(b)显示了La0.7Ca0.23Sr0.07MnO3(SM4)的磁熵变(-ΔSm)作为不同磁场间隔的温度的函数。本发明人还研究了各向异性和应变对LaMnO3的块体和单晶中的磁相变和磁热性能的影响。对于(Mn1- xNix)3Sn2材料，图5(c)也说明了具有Ni掺杂的Mn3Sn2的结果，示出了场冷却期间具有x＝0至0.5的选定样品的磁化的温度依赖性，其示出了Tc调谐。图5(d)显示了在磁场变化ΔH高达5T时，具有x＝0和1.0的(Mn1-xNix)3Sn2材料样品的-ΔSm的温度依赖性。这些结果表明调节材料性能以控制磁热效应并由此使得能够生产在目标操作环境中呈现可预测的磁热效应的能力的磁热材料。
本发明人还发现，磁相变温度Tm不等于MnCoGe系统中的晶体结构转变温度Tst。本发明的实施方式通过调整Tm或Tst彼此接近以调谐两个转换温度来进一步增强磁热效应。B，H，Gd和Cu的间隙掺杂和在La(FeSi)13的La，Fe或Si位点上取代已经示出显著降低La(FeSi)13的磁滞损耗。这些发现为开发用于自动气候控制电力传输线路的新型磁热材料的基本原理提供了启示。
对优化材料系统中磁热效应显著改善的材料进行调查，是现在研究先进磁热材料的关键方面。了解新材料中的磁热现象可以提供一种方法，将良好的磁性和高效的热力学循环结合起来，从而提高磁热性能。这种改进可以通过评估一阶相变材料的磁热效率来实现。材料的进步在很大程度上推动了磁热效应的自动气候控制电力传输线路应用的未来进展。
利用磁热材料可以设计和开发在设定温度下具有加热和冷却功能的复合材料，以实现电力传输线路的自动气候控制。这种方法可以实现传输线路防结冰和防下垂(冷却)的功能。使用当前的现有技术不能有效地实现这一点。
自动气候控制电传输线路的制造
本发明的一个方面是使用装管技术制造具有金属包覆(例如铝包覆)的磁热材料芯或复丝芯的导线。例如，这些导线可以用在传输线路的最外层或导体束的内部，作为自动气候控制的主要部件。图6示出了制造过程的一个实施例，首先设计电导体，并且设想导体设计将基于已知技术，例如铝导体钢增强(ACSR)和全铝合金导体(AAAC)技术在导电芯线周围捆扎加固线的技术，以及复合芯导体例如ACCR和ACCC，其中加强结构是导体芯，例如碳和玻璃纤维芯，并且用于承载电力的导线捆扎在支撑芯周围。
这些设计技术中的每一种都可以修改成包含结合磁热材料的组件。将磁热材料并入传输线路中的优选方法是使用装管技术来生产包含可与一个或多个电导体和支撑结构捆绑的磁热材料的导线。
传输线路的磁热材料可以使用下面进一步详细描述的技术来选择和可选地调谐。然后设计传输线路导体内的磁热结构的布置。特别地，可以选择导体束内的磁热结构的位置，以确保磁热结构的位置将与通过束中的导体的AC电力传输所产生的AC磁场一致。此外，磁热结构的位置选择可以受到束中元件(电导体和加强结构)的传热特性的影响，以最大化磁热结构和束内的其他元件之间的等温传热。制造过程的一个实施例如图6所示，设计电导体束结构的步骤如步骤610所示。
使用装管技术的传输线路制造工艺的实施例从一阶相变材料的制造开始，实施例包括合金，例如RMnO3和Zn掺杂的Fe3O4化合物。该合金可以用元素铸锭制造，而RMnO3和Zn掺杂的Fe3O4将通过固态反应合成。在图6的步骤620中，材料可以被加工成粉末。随后，制备好的加热材料[例如，(Mn1-xNix)3Sn2，RMnO3]或冷却材料(Zn掺杂的Fe3O4)将被填充并密封到铝管(630)中。在一个实施例中，使用具有以下尺寸的铝管(纯度>99.6％)制造导线：外径8mm，内径4mm。通过使用装管方法，铝管将被拉成细导线640，通过一组拉拔模具使用多次拉伸步骤(例如，具有12％的变形率)和间歇退火处理(例如，在375℃下对每两次通过10至30分钟的拉伸材料进行退火)。然后使用传统的导线组装工艺650将导线捆扎在一起以形成传输线路导体束660。例如，这可以产生具有铝包覆陶瓷芯的几公里长的导线，如图6中示意性示出的。测试实施例使用12个长2.0米的铝管，生产直径3.07毫米，长1358毫米的12个包铝包覆陶瓷(磁热材料)芯导线，这些磁热导线被用作加热元件来取代电缆最外层的12根铝线，由54根铝导线和7根钢芯线(加强型)组成，用540A的电流进行除冰测试。
有两种方法可以实现传输线路中加热和冷却的双重功能。第一种方法是制备包含具有所需加热和冷却特性的材料组合的磁热材料，并将该组合材料用于磁热结构中。例如，将RMnO3和Zn掺杂的Fe3O4的混合物放入铝管中以制造复合传输线路。第二种方法是制备用于冷却和加热的单独的磁热结构，并且在导体束内包括两种类型的结构。例如，将RMnO3/Al导线和Zn掺杂的Fe3O4导线混合成纯铝导线的一束以形成传输线路。对于第一种方法，制造成本可能较低，但与第二种方法相比，RMnO3和Zn掺杂的Fe3O4之间的电阻率和热膨胀系数的差异可能降低传输线路的温度调节性能。
制造的传输线路中的特定热交换的磁场和温度依赖性可以在-50℃到150℃的温度范围内测试以确认在实验室或测试环境中的性能。例如，使用冰箱和烤箱测试输电线路导线防结冰和下垂的能力。在抗下垂实验中，在加热过程中，可以在导线的中间悬挂重物作为导线上的张力。实验数据可用于告知和优化传输线路导体的工业生产。
如上所述，在目标操作温度范围内呈现磁热效应的磁热组合物的选择和开发仅对温度自调节电力传输线路的效率有利。本发明人已经进行了关于磁热晶体的尺寸、缺陷、掺杂剂和关于磁热转换效率和工作温度的加工技术的重大研究以优化材料。这可以评估用于电力传输线路防结冰和抗下垂(冷却)的材料的全部潜力和基本限制。还开发了一种通过检查磁热熵的现有测量系统来评估磁热效应的方法。这建立了一个通用的测量标准，以解决磁热效应应用中的基础研究的关键问题，并为显著提高磁热转换效率提供指导。
了解磁热效应现象，评估其潜力和局限性
磁热效应实验步骤：通常，在磁热材料的磁相变温度下，潜热交换非常大。当温度偏离相变温度时，磁热效应降低。在这种情况下，可以用分子场近似计算和实验测量来确定磁热效应的大小。磁熵变(ΔTad)的直接磁热测量可以使用传统方法在样品上热接触传感器进行。间接测量可以通过使用等温磁化和场依赖热容的实验数据用麦克斯韦关系进行计算来实现。
比较磁热材料的理论磁熵变(ΔStheory)，对于二阶相变磁热材料甚至对于一阶相变巨磁热材料，无论测量方法如何，如ΔSm，ΔSh和ΔTad均小于ΔStheory。
在巨磁热材料(在外加压力和内部掺杂化学压力下)，测得的ΔSm磁熵大于理论磁熵ΔStheory，ΔSm>ΔStheory。然而，用其他方法ΔSh和ΔTad测量的巨磁热材料中的磁熵变结果尚不可用。因此，在开发用于自动气候控制传输线路的磁热材料之前，评估和比较通过ΔSm，ΔSh和ΔTad测量的巨MCE材料的磁熵变是非常重要的。实际上，每种方法都有自然局限性，因此存在两个问题：(1)如何识别和分析一阶相变材料的实际磁热效应；(2)如何在磁热力学循环中充分利用一阶相变材料的磁热效应。
在处理流动磁性材料时，如果电子-振动量子相互作用非常小，则关于晶格和电子贡献的场独立性的假设才有效。然而，电子和晶格方面的场独立性通常在所有材料的实践中被采用。因此，通常也认为摩尔熵变化的上限由磁贡献给出：ΔStheory＝ΔSmaxM＝Rln(2J+1)，其中R是气体常数，J是磁性离子的总角动量。当系统的熵变化由转变的潜热支配时，系统经历一阶有序转变时J可以被超越。为了建立一个通用的评估系统来确定实际的磁热效应，需要物理考虑来自磁态、磁滞和热滞、各向异性和晶格应变、热力学和动力学处理等类型的贡献。通过以下材料表征来揭示。
材料表征
热物理特性，包括磁性、热容和热导率可以通过一系列仪器测量，如物理和磁性测量系统(PPMS和MPMS)以及振动样品磁强计(VSM)。特别是，可以用安装在14T PPMS系统中的热容探针测量磁热材料在一阶相变时的热容的磁场依赖性作为温度的函数。差示扫描量热法(DSC)和激光闪光分析也可用于测量周围环境中磁热材料的比热和热扩散系数。可以使用X射线衍射(XRD)，能量色散X射线光谱(EDX)，扫描电子显微镜(SEM)，透射电子显微镜(TEM)和高分辨率TEM(HRTEM)来表征制备的材料的晶体结构和组成。
磁热材料物理性质的尺寸依赖性
包括相变温度(PT)，磁化强度(M)，磁熵变和热/冷循环功率容量的磁热材料的物理性质和性能高度依赖于磁热粉末的细粒和颗粒的尺寸。本发明人已经示出，特别是对于纳米级尺寸的颗粒PT随着颗粒尺寸的减小而减小。ΔSM的峰值也会随着颗粒尺寸而减小，但峰值温度范围会扩大。因此，加热/冷却的功率容量增加。对于自动气候控制电传输线路的磁热效应的应用，我们需要具有较大功率容量的较高PT。这使得磁热材料的优化具有挑战性，并且理解该材料系统的尺寸依赖性物理性质是至关重要的。例如，可以使用快速溶胶沉淀技术来生产具有各种尺寸的磁热粉末的高质量和大规模产量，或者可以使用球磨将氧化物材料物理分成超细颗粒。尺寸可以通过操作研磨时间来控制。通过测量材料的物理特性，可以建立尺寸对磁热效应影响的路线图，以优化在期望的设定温度下具有大功率容量的材料。
颗粒尺寸也影响拉伸过程中颗粒的流动特性。粗颗粒(例如手磨材料)表现出差的流动性。这可能会在导线制造过程中引起问题，例如导线拉伸过程中导线容易断裂。然而，通过使用表现出更好流动性的细粉末，可以显著改善这种制造问题。在一个实施例中，使用具有碳化钨研磨介质的RETSCH TM行星式球磨机PM 400系统，并以300rpm的速度研磨2小时制备磁热材料。在这个实施中，材料的初始平均粒径大于50μm，通过手工研磨产生，并且使用球磨将粒径减小至约258nm的粒径。发明人的测试表明，使用该技术处理的材料的一阶磁相变温度(TC)与其在微米尺度上的对应物没有变化，如图13所示。图13示出了在100Oe下，平均粒径>50μm和258.8±6.00nm的La0.7Ca0.254Sr0.046Ag0.03MnO3(SM10)样品的磁化的温度依赖性。图13显示对于一种具有>50μm的平均粒径的样品1310，另一种具有258.8±6.0nm的粒径的样品1320，两种样品的相转变温度1330是相同的。
调温电力传输线路组成的优化
对于一阶相变，从反铁磁到铁磁的磁变将导致放热；反之导致吸热。本发明人已经证明了在设定温度下用于除冰和防冰的加热效果。在撰写本文时，对于在80℃的设定温度下进行冷却的材料正在进行开发。随着温度的升高，Zn掺杂的Fe3O4显示出从反铁磁性到铁磁性的一阶相变具有温度升高。在这些材料中，非磁性Zn2+被用来代替磁性Fe2+。在尖晶石结构中，磁矩的方向与Fe3+的方向相反。这两种离子(Zn2+-0.074nm和Fe2+-0.077nm)的相似半径使得掺杂过程更容易实现。更高水平的Zn掺杂将导致更高的反铁磁性和更高的转变温度，但也会引起一定程度的磁致伸缩来阻碍磁畴的旋转。
为了实现在设定温度下的冷却效果，可以通过增加Zn的掺杂水平来增加反铁磁/铁磁转变温度。然而，希望减少磁致伸缩以使其对磁热效率的影响最小化。可以研究磁热性能对锌掺杂水平的依赖性，以优化材料。磁热材料的物理性质可以与Zn掺杂水平相关联，以优化该材料系统对于传输线路的抗下垂应用的性能。
很显然，新材料的开发将继续成为这项技术发展的重要组成部分，预计这种技术不仅为国家电网中的传统电力传输线路带来渐进式改进，例如显著降低维护和更换成本以及技术人员的严酷工作条件和安全性，还有大功率节电和实现自动温度控制等新功能。本发明的实施方式提供了用于在极端天气期间降低功率损失或对输电基础设施的灾难性损坏的风险的可能性。除了经济优势之外，减少电力损失的风险还具有显著的健康和安全优势，例如降低极端天气期间由于断电导致的死亡或疾病风险(导致供暖或制冷损失以及限制医院的可手术性)。
附录1：基础技术和磁热效应的概述。
吉布斯自由能
在给定的初始状态下，从给定量的特定物质获得的最大量的机械功而不增加其总体积或允许热量传递到外部物体或从外部物体传递，除了例如在过程结束时留在他们的初始状态。从技术上讲，吉布斯自由能是可以从封闭系统中提取的非膨胀功的最大量，或者这个最大值只能在完全可逆过程中获得。
系统的热力学性质完全由系统的吉布斯自由能或自由焓决定。我们在这里考虑的系统由温度为T，压力为p的磁场B中的磁性材料组成。系统的吉布斯自由能G由下式给出
G＝U-TS+pV-MB (1)
其中U是系统的内能，S是系统的熵，M是磁性材料的磁化强度。材料的体积V，磁化强度M和熵S由吉布斯自由能的一阶导数如下给出：
材料的比热由吉布斯自由能相对于温度的二阶导数给出
根据定义，如果吉布斯自由能的一阶导数在相变时不连续，则相变是一阶的。因此，磁性材料的体积、磁化强度和熵在一阶相变时是不连续的。如果吉布斯自由能的一阶导数在相变时是连续的，但二阶导数是不连续的，则相变是二阶的。
磁熵
熵测量自发的能量分散；在一个过程中分散多少能量或者在特定温度下能量分散多广。它还描述了系统在分子水平上从较高组织状态转变为最低组织状态的趋势。在物理学中，熵是与热力学第二定律有关的从较大到较小势能的变化的数学测量。
其中磁性是由于局部磁矩导致的磁性材料的总熵由下式给出
S(T，B，p)＝Se(T，B，p)+Se(T，B，p)+SM(T，B，p) (4)
其中Sι代表晶格子系统的熵，Se是传导电子子系统的熵，SM是磁熵，即磁矩子系统的熵。在呈现流动-电子磁性的磁性固体中，这三种对总熵的贡献的分离通常不是直接的，因为3d电子(指3d电子轨道)引起流动-电子磁性，并参与传导。只有在不考虑电子-振动量子相互作用的情况下才可能分离晶格熵。
由于熵是一个状态函数，因此封闭系统的总熵的完全微分由下式给出
在这三个贡献中，磁熵强烈依赖于磁场，并且电子和晶格熵远小于磁场依赖性。
因此，对于等压等温(dp＝0；dT＝0)过程，总熵的微分可以表示为
对于从初始场Bi到最终场Bf的磁场变化，积分等式(6)得到总熵变
ΔS(T，ΔB)＝S(T，Bf)-S(T，Bt)＝ΔSM(T，ΔB) (7)
其中ΔB＝Bf-Bt。这意味着响应场变化ΔB的磁性材料的等温等压总熵变也由等温等压磁熵变表示。
磁熵变通过麦克斯韦关系与磁化体积、磁场和温度有关
积分得到
另一方面，根据热力学第二定律
积分得到
在没有配置熵的情况下，在T＝0K时熵将为零，因此S0的值通常选择为零。因此，响应磁场变化ΔB的熵变由下式给出
其中cp(T′，Bf)和cp(T′，Bt)分别表示在恒定压力p下磁场Bf和Bi的比热。
通过比热测量确定磁热效应
比热测量是确定材料热效应的最准确方法。磁性材料的总熵变可以通过使用等式(12)从比热得出。根据公式(7)，这个熵变等于等压等温过程的磁熵变。这意味着我们也可以通过使用等式(12)，从比热测量的场依赖性中获得磁熵变。
不同磁性材料中绝热温度变化的绝对值的确定是一项相当复杂的任务。结合等式(6)，(8)和(10)，发现绝热等压过程的无限小的绝热温度变化是
通过等式(3，14)的积分，磁场由Bi变为Bf的绝热温度变化由下式给出
在德拜温度以上，固体的晶格比热接近3R的Dulong-Petie极限。因此，在较高的温度下，如果比热可以被认为仅仅较小的依赖于温度，并且随着温度的变化T/cp(T，B)相对于磁化随温度的变化是缓慢的，则等式(15)可以简化为
显然，当温度变化较小时，(dM│dT)B，p较大，cp(T，B)较小时，磁热效应较大。由于(dM│dT)B，p在磁有序温度附近达到峰值，所以预计在磁相变温度附近存在大的磁热效应。
由磁化强度，比热或组合的磁化强度和比热数据确定磁热效应可用于表征磁性制冷剂材料的磁热性质。磁化强度数据提供磁熵变ΔSM(T，ΔB)。在恒定磁场下的比热提供了磁熵变ΔSM(T，ΔB)和绝热温度变化ΔTad(T，ΔB)。
图7是铁磁性固体的S-T(熵-温度)图，示出了磁场HI和HF(HF>HI)中的总熵。该图还示出了在磁有序温度(居里温度TC)730附近由ΔTad 710或ΔSM 720表示的磁热效应。垂直箭头720示出了等温磁熵变ΔSM，而水平箭头710示出了绝热温度变化Tad。
附录二。材料实施例
磁测量。
图8至11示出了磁热材料磁性测量的不同方面。
图8示出了磁化强度(M)和温度(T)之间关系的一个实施例，该图示出了La0.7Ca0.264Sr0.056MnO3(SM7)，La0.7Ca0.264Sr0.056Ag0.03MnO3(SM8)，La0.7Ca0.254Sr0.046MnO3(SM9)，La0.7Ca0.254Sr0.046Ag0.03MnO3(SWM10)在100Oe的磁场强度的温度依赖性。
图9示出对于La0.7Ca0.3MnO3基材料(a)La0.7Ca0.27Sr0.03MnO3(SM2)，(b)La0.7Ca0.23Sr0.07MnO3(SM4)和La0.7(Ca1-xAgx)0.3MnO3基材料并且(c)x＝0.7和(d)x＝1，在几个温度下的磁化强度(M)与施加的磁场(H)的关系。
图10示出了热容(Cp-T)，其示出了La0.7Ca0.3MnO3样品对零和1.5T磁场的热容量的温度依赖性；
图11示出了在施加的(a)H＝0.05T和0.1T(b)H＝1T和2T的磁场中La0.7Ca0.23Sr0.07MnO3(SM4)的磁熵变；以及(c)x＝0.7和(d)x＝1的La0.7(Ca1-xAgx)0.3MnO3基材料作为不同磁场间隔的温度的函数的磁熵变；
在图12中示出了La0.7Ca0.3MnO3在230-275K温度范围内的绝热温度变化(ΔTad)。对于从0到1，2和5T的磁场变化，估计的ΔTad值分别为2.02，2.69和3.62K。
这些实验结果表明：
(1)新开发的材料具有巨大的磁热效应；
(2)调谐这些材料的磁转变温度以适应电力传输线路的应用以调节工作温度保持在期望的工作温度范围内的能力；
(3)这些材料的磁热效应(ΔSM和ΔTad)较大，表现出对传输线路防结冰/除冰应用的有效加热行为；
(4)用于进一步评估气候响应传输线路应用的新型巨磁热材料的几种磁性测量方法。
本领域技术人员将会理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行许多修改。
在随后的权利要求和本发明的前述描述中，除了由于表达的语言或必要的暗示的上下文另外需要外，词语“包括(comprise)”或如“包括(comprises)”或“包括(comprising)”的变体用于包括的含义，即指明所述特征的存在，但不排除在本发明的各种实施方式中存在或添加其他特征。
应该理解的是，如果任何现有技术出版物在本文中被引用，这样的引用并不构成承认该出版物形成在澳大利亚或任何其他国家本领域公知常识的一部分。

Claims (19)

1.一种电力传输线路导体，包括：
至少一个电导体，其配置用于传输高压交流电；
至少一个加强结构与电导体捆绑在一起以向电导体提供物理支撑；和
包含磁热材料的至少一个磁热结构，所述至少一个磁热结构与所述电导体和加强结构一起被包括在一个束中，
所述磁热结构布置在所述束内以位于由通过所述至少一个导体传输高压交流电产生的变化的磁场内，从而使所述磁热材料组成表现出磁热效应以调节电力传输线路导体的工作温度。
2.根据权利要求1所述的电力传输线路导体，其中，所述磁热效应操作以调节所述电力传输线路导体的工作温度，以将工作温度维持在发生结冰的温度范围之上。
3.根据权利要求1所述的电力传输线路导体，其中，所述磁热效应操作以调节所述电力传输线路导体的工作温度，以将工作温度维持在高温阈值以下。
4.根据权利要求1所述的电力传输线路导体，其中，所述磁热效应操作以调节所述电力传输线路导体的工作温度，以将工作温度维持在目标工作范围内。
5.根据前述权利要求任一项所述的电力传输线路导体，其中对于每个磁热结构的所述磁热材料组成被调谐为在目标温度范围内呈现所述磁热效应。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电力传输线路导体，其中，每个磁热结构配置为包括所述磁热材料的细长导线，所述导线与所述电导体和加强结构并入所述束中。
7.根据权利要求6所述的电力传输线路导体，其中每个磁热结构使用用于形成包括所述磁热材料的所述细长电线的装管方法形成。
8.根据权利要求2或权利要求4所述的电力传输线路导体，其中一个或多个磁热结构包括磁热材料，所述磁热材料配置为在低于结冰阈值温度的温度下呈现磁热效应以引起所述电力传输线路导体的升温。
9.根据权利要求8所述的电力传输线路导体，其中所述磁热材料具有包括以下中的任何一种或多种的材料组成：La0.7(Ca1-xAgx)0.3MnO3，La0.7Ca0.3MnO3，LaMnO3，MnCoGe，MnAs，Mn1–xFexAs MnCoGe，LaFe11.6Si1.4，La(FeSi)13，La0.8Nd0.2Fe11.5Si1.5，Ni43Mn46Sn11，(Mn1-xNix)3Sn2，和RMnO3。
10.根据权利要求9所述的电力传输线路导体，其中通过使用Ag，Co，Cu，B，H或Gd中的任何一种或多种掺杂来调谐所述磁热材料组成以呈现低于所述结冰阈值温度的磁热效应。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的电力传输线路导体，其中，所述结冰阈值温度是从5℃至0℃范围内选择的温度。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的电力传输线路导体，其中，所述磁热材料配置为呈现磁热效应以引起所述电力传输线路导体的升温，以在5℃至50℃范围内的环境温度中将所述工作温度调节到5℃至0℃。
13.根据权利要求3或权利要求4所述的电力传输线路导体，其中，一个或多个磁热结构包括磁热材料，所述磁热材料配置为在高于高热阈值温度的温度下呈现磁热效应以引起所述电力传输线路导体的冷却。
14.根据权利要求13所述的电力传输线路导体，其中所述磁热材料包括以下任何一种或多种：Zn掺杂的Fe3O4；Ni0.50Mn0.50–xSnx. Ni0.50Mn0.50–xInx和Ni0.50Mn0.50–xSbx合金；和LaCrO3。
15.根据权利要求13或权利要求14所述的电力传输线路导体，其中通过使用金（Ag），钴Co），铜（Cu），硼（B），氢（H）或钆（Gd）中的任何一种或多种进行掺杂，可调谐所述磁热材料组成以在高热阈值温度以上呈现磁热效应。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的电力传输线路导体，其中所述高热阈值温度是选自40℃至100℃范围内的温度。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的电力传输线路导体，其中，所述磁热材料配置为呈现磁热效应以引起所述电力传输线路导体的冷却，以在40℃至100℃范围内的环境温度中将所述工作温度调节到30℃至60℃。
18.一种电力传输线路导体设计的方法，包括以下步骤：
确定电力传输线路导体的预期工作温度范围，并且选择低温阈值和高温阈值中的至少一个；
选择在所选低温阈值或高温阈值附近呈现磁热效应的一种或多种磁热材料；和
确定导体束内的至少一个电导体，至少一个加强结构和一个或多个磁热结构的布置，选择磁热结构的位置以确保定位磁热结构与由通过导线束中的导体输送的交流电产生的变化磁场一致。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，选择一种或多种磁热材料的步骤包括调谐温度以呈现磁热效应以与所选择的低温阈值或高温阈值一致的步骤。
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